STRIDE: An Open-Source, Low-Cost, and Versatile Bipedal Robot Platform for Research and Education

📄 arXiv: 2407.02648v1 📥 PDF

作者: Yuhao Huang, Yicheng Zeng, Xiaobin Xiong

分类: cs.RO

发布日期: 2024-07-02

备注: 8 pages, 8 figures

💡 一句话要点

STRIDE：一种低成本、开源且通用的双足机器人平台，用于研究和教育

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 双足机器人 开源平台 低成本 模块化设计 动态步行 步态控制 机器人教育

📋 核心要点

  1. 现有双足机器人平台成本高昂，定制性差，难以在研究和教育领域普及。
  2. STRIDE平台采用模块化设计，提供详细的构建指南，并配备多功能地形和扰动系统，实现灵活定制和真实环境模拟。
  3. 通过自适应步间动态步行控制器的实现，验证了STRIDE平台在动态步行方面的能力，展示了其通用性和耐用性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了STRIDE，一个简单、陆地型、可重构、智能、动态和教育型的双足机器人平台。STRIDE旨在通过提供一种经济高效的实现方案，以及构建双足机器人平台的逐步指导，同时通过模块化和耐用的设计提供灵活的定制，从而推动双足机器人研究和教育的发展。此外，该机器人平台还配备了多功能地形设置和定量扰动注入系统，以模拟自然地形和施加推力，用于评估实际和对抗场景中的腿式运动。我们通过实现基于自适应步间动态的步行控制器来实现动态步行，从而展示了该平台的功能。我们的开源实现工作表明，STRIDE是一个高度通用且耐用的平台，可用于研究和教育，以评估运动算法、机械设计以及鲁棒和自适应控制。

🔬 方法详解

问题定义：现有双足机器人研究和教育面临的挑战是平台成本高、可定制性差以及缺乏真实环境的模拟能力。这些限制阻碍了双足机器人在更广泛领域的应用和发展。

核心思路：STRIDE平台的核心思路是提供一个低成本、开源、模块化和通用的双足机器人平台，通过详细的构建指南和灵活的定制选项，降低研究和教育的门槛。同时，通过多功能地形和扰动系统，模拟真实环境，提高算法的鲁棒性和适应性。

技术框架：STRIDE平台的技术框架主要包括以下几个模块：1）机械结构设计：采用模块化设计，方便用户根据需求进行定制；2）硬件控制系统：采用低成本的传感器和执行器，实现精确的运动控制；3）软件控制系统：提供多种运动控制算法，包括基于自适应步间动态的步行控制器；4）环境模拟系统：包括多功能地形和扰动注入系统，模拟真实环境。

关键创新：STRIDE平台的关键创新在于其低成本、开源和模块化的设计理念，以及多功能地形和扰动系统的集成。这使得该平台具有高度的通用性和可扩展性，能够满足不同研究和教育的需求。与现有平台相比，STRIDE降低了成本，提高了可定制性，并提供了更真实的实验环境。

关键设计：STRIDE平台的关键设计包括：1）模块化机械结构：采用标准化的接口，方便用户更换和添加不同的模块；2）低成本传感器和执行器：选择性价比高的传感器和执行器，降低整体成本；3）自适应步间动态步行控制器：根据地形和扰动，动态调整步长和步频，提高步行的稳定性和适应性；4）多功能地形：提供多种地形选项，包括平地、斜坡、障碍物等；5）扰动注入系统：可以施加不同方向和大小的推力，模拟外部扰动。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

该论文通过实验验证了STRIDE平台的功能，实现了基于自适应步间动态的步行控制器，并成功实现了动态步行。实验结果表明，STRIDE平台具有良好的稳定性和适应性，能够应对不同的地形和扰动。此外，开源的实现方案使得其他研究者可以轻松地复制和改进该平台。

🎯 应用场景

STRIDE平台可广泛应用于双足机器人研究、教育和应用开发。在研究方面，可用于评估新的运动控制算法、机械设计和鲁棒控制策略。在教育方面，可作为教学工具，帮助学生理解双足机器人的原理和技术。在应用方面，可用于开发各种双足机器人应用，如家庭服务、物流运输和灾难救援等。

📄 摘要（原文）

In this paper, we present STRIDE, a Simple, Terrestrial, Reconfigurable, Intelligent, Dynamic, and Educational bipedal platform. STRIDE aims to propel bipedal robotics research and education by providing a cost-effective implementation with step-by-step instructions for building a bipedal robotic platform while providing flexible customizations via a modular and durable design. Moreover, a versatile terrain setup and a quantitative disturbance injection system are augmented to the robot platform to replicate natural terrains and push forces that can be used to evaluate legged locomotion in practical and adversarial scenarios. We demonstrate the functionalities of this platform by realizing an adaptive step-to-step dynamics based walking controller to achieve dynamic walking. Our work with the open-soured implementation shows that STRIDE is a highly versatile and durable platform that can be used in research and education to evaluate locomotion algorithms, mechanical designs, and robust and adaptative controls.